2 Hiện Tượng Từ Trễ - Tài Liệu Text - 123doc

1. Trang chủ >
2. Luận Văn - Báo Cáo >
3. Công nghệ - Môi trường >

2 Hiện tượng từ trễ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.71 MB, 53 trang )

6Hình 1.8 Đường cong từ trễ M(H) của vật liệu sắt từ với lực kháng từ HCđộ từ dư Mr, từ độ bão hòa MS.Trên đường cong từ trễ, ta sẽ xác định được các đại lượng đặc trưng củachất sắt từ như:- Từ độ bão hòa (MS): Là từ độ đạt được trong trạng thái bão hòa từ, cónghĩa là tất cả các mômen từ của chất sắt từ song song với nhau.- Từ dư (Mr hay Br): Là giá trị từ độ khi từ trường được khử về 0.- Lực kháng từ (HC): Là từ trường ngoài cần thiết để khử mômen từ củamẫu về 0, hay là giá trị để từ độ đổi chiều. Đôi khi lực kháng từ còn được gọilà trường đảo từ.- Từ thẩm (μ): Là một tham số đặc trưng cho khả năng phản ứng của cácchất từ tình dưới tác dụng của từ trường ngoài. Từ thẩm của các chất sắt từ cógiá trị lớn hơn 1 rất nhiều, và phụ thuộc vào từ trường ngoài.Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng từ trễ là sự tương tác giữa cácmômen từ có tác dụng ngăn cản chúng quay theo từ trường ngoài. Có nhiều cơchế khác nhau tạo nên hiện tượng từ trễ cũng như các dạng đường cong từ trễkhác nhau: cơ chế quay các mômen từ, cơ chế hãm dịch chuyển vách đômen, cơchế hãm sự phát triển của mầm đảo từ.1.3 Dị hướng từTrong tinh thể, mômen từ (hay từ độ) luôn có xu hướng định hướng theomột phương ưu tiên nào đó của tinh thể, tạo nên khả năng từ hóa khác nhau theocác phương khác nhau của tinh thể, đó là tình dị hướng từ [3].Mỗi tinh thể có một hướng nào đó mà độ từ hóa luôn có xu hướng địnhhướng theo phương đó, và theo hướng đó, quá trính từ hóa sẽ diễn ra dễ nhất gọi7là trục từ hóa dễ. Và khi từ hóa theo hướng khác (lệch 90 o so với trục từ hóa dễ)thí quá trính từ hóa sẽ khó hơn, và sẽ rất khó đạt trạng thái bão hòa, trục đó gọilà trục từ hóa khó.Dị hướng từ phụ thuộc vào năng lượng nội tại của hệ tại một hướng nhấtđịnh nào đó của từ độ tự phát. Năng lượng đó được gọi là năng lượng dị hướngtừ. Nếu dị hướng từ gây ra bởi tình đối xứng trong cấu trúc tinh thể của vật liệuthí được gọi là dị hướng từ tinh thể. Bên cạnh nguồn gốc do tình đối xứng tinhthể, dị hướng từ tinh thể còn có thể được tạo ra do ứng suất hay do hính dạngcủa vật từ hay trật tự của các cặp spin với định hướng khác nhau [4].1.3.1 Dị hướng từ tinh thểDị hướng từ tinh thể là dạng năng lượng trong các vật có từ tình có nguồngốc liên quan đến tình đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ. Dịhướng từ tinh thể là một đặc điểm nội tại của vật liệu sắt từ, nó phụ thuộc nhiềuvào kìch thước và hính dạng của vật liệu. Nó có thể dễ dàng được nhận ra khi tatiến hành khảo sát đường cong từ hóa theo các hướng tinh thể khác nhau. Dịhướng từ ảnh hưởng mạnh đến hính dạng của đường cong từ trễ, cũng như sẽquyết định đến giá trị lực kháng từ HC và độ từ dư Mr [4].Hình 1.9 Ví dụ về dị hướng từ tinh thể trong tinh thể ôxit sắt Fe3O4.Hính 1.9 minh họa đường cong từ hóa ban đầu của vật liệu ôxit sắt Fe 3O4.Tùy thuộc vào sự định hướng tinh thể của mẫu trong từ trường, mà từ độ sẽ bãohòa ở những giá trị từ trường khác nhau. Ở khoảng 130oK, trục là phươngtừ hóa dễ, là phương từ hóa khó, còn là phương trung gian chuyển8tiếp giữa hai trạng thái. Với vật liệu ôxit sắt Fe3O4 hính cầu sẽ có 6 hướng dễ từhóa tương đương với 3 trục [24].1.3.2 Dị hướng ứng suấtNgoài sự đóng góp của dị hướng từ tinh thể, còn có sự đóng góp đáng kểkhác của dị hướng từ ứng suất. Dị hướng ứng suất thường được thấy trong cácvật liệu từ giảo. Hiện tượng từ giảo là hiện tượng hính dạng, kìch thước của vậtliệu từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng cả từ trường ngoài. Bản chấtcủa hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vậtliệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không códạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh [1]. Dưới tác dụng của từtrường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theosự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảođược tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ vàđiện tìch của môi trường.Hình 1.10 a) Mômen từ (M) của vật liệu thay đổi dưới ảnh hưởng của ứng suất,b) vật liệu thay đổi hình dạng dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H).Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là mômen quỹ đạobằng 0), tất cả các vị trì của các iôn lân cận đều tương đương đối với sự phân bốđiện tử. Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi,nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảngcách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên không dẫn đến sự thay đổi về kìch thướccũng như hính dạng mẫu. Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (cónghĩa là mômen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trì phân bố xung quanh khôngcòn tình chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đếnsự thay đổi đám mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kìch thước cũng nhưhính dạng mẫu. Hay nói một cách đơn giản, từ giảo phản ánh tình chất đối xứngcủa mạng tinh thể [4].9Ngược lại, khi tác dụng làm thay đổi hính dạng hoặc kìch thước của vậtliệu từ thí tình chất từ của vật liệu cũng thay đổi (hiện tượng từ đảo ngược). Sựkéo căng theo một trục nào đó của vật liệu sẽ tạo ra duy nhất môt phương dễ từhóa nếu ứng suất đủ lớn để vượt qua các trục từ hóa khác.1.3.3 Dị hướng hình dạngDị hướng hính dạng phụ thuộc vào kìch thước và hính dạng của mẫu. Dịhướng hính dạng có thể được định nghĩa một cách đơn giản là sự khác nhau vềmặt năng lượng khi từ hóa theo chiều dài nhất và chiều ngắn nhất của mẫu sắttừ. Hính dạng mẫu sẽ quyết định các cực từ tự do. Do tương tác giữa các cực từ,sẽ xuất hiện một trường khử từ ngược với chiều từ hóa, chống lại sự từ hóa. Dođó, mômen từ sẽ có xu hướng định hướng theo trục có năng lượng từ hóa nhỏnhất của vật liệu [4].Hình 1.11 a) Từ độ bên trong một tinh thể sắt từ, b) Các đường sức cảm ứng từcủa vật liệu, c) Trường khử từ phía bên trong vật liệu ngược với chiều của từ độ,d) Các cực từ của tinh thể hình cầu, e) Cực từ của một tinh thể elip tròn xoayvới từ độ song song với trục dài, f) Chiều của trường khử từ khi phương của từđộ tạo với trục a của tinh thể elipsoit một góc θ.Hính 1.11a mô tả hướng các véc tơ từ độ bên trong tinh thể sắt từ. Nó làmxuất hiện một từ trường ngoài tinh thể tỉ lệ với mô men từ. Trường ngoài này làmột trường hoàn toàn đồng nhất được tạo nên từ các cực tự do phân bố phìa bênngoài bề mặt của tinh thể (hính 1.11b). Các cực bề mặt không chỉ tạo ra cáctrường ngoài, mà chúng còn làm xuất hiện một trường nội tại phìa trong tinh thể(hính 1.11c). Trường nội này được gọi là trường khử từ (Hd). Cường độ trườngkhử từ trước hết tỉ lệ với từ độ của vật liệu. Thêm vào đó, nó còn phụ thuộc vàokhoảng cách giữa các cực và diện tìch bề mặt các cực. Vì dụ, đối với một khốichữ nhật, véc tơ M hướng dọc theo chiều dài, hai cực khá xa nhau nên Hd sẽ rấtnhỏ, ngược lại khi từ độ hướng vuông góc, hai cực gần nhau nên Hd sẽ rất lớn.101.4 Cấu trúc từ Ở cấp độ nguyên tử, phân tử: cấu trúc từ liên quan đến sự sắp xếp có trậttự của các spin từ trong mạng tinh thể.Cấu trúc thuận từCấu trúc sắt từCấu trúc phản sắt từCấu trúc feri từHình 1.12 Sự sắp xếp của các spin trong các cấu trúc từ.Trong cấu trúc thuận từ, các spin định hướng một cách hỗn loạn do tácdụng nhiệt (hính 1.12), khi đặt vào từ trường ngoài H ≠ 0 thí các spin này sẽđịnh hướng theo từ trường.Cấu trúc sắt từ tương đối đơn giản, tất cả các spin đều hướng theo cùngmột hướng khi ở nhiệt độ rất thấp T < TC (TC là nhiệt độ Curie), ở nhiệt độ caohơn T > TC các spin nay sẽ định hướng một cách hỗn loạn bất chấp trật tự từ .Đối với cấu trúc phản sắt từ, các spin có trật tự phản song song và phụthuộc vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ T < TN (TN là nhiệt độ Neel) từ độ tổng cộng bằng0. Ở nhiệt độ T > TN các spin lại sắp xếp một cách hỗn loạn như cấu trúc thuậntừ.Cấu trúc feri từ các spin có độ lớn khác nhau được sắp xếp phản songsong với nhau làm cho từ độ tổng cộng khác không cả khi từ trường ngoài bằngkhông khi T < TC. Từ độ tổng cộng này được gọi là từ độ tự phát. Tại nhiệt độ T> TC trật tự từ bị phá vỡ, cấu trúc feri từ trở thàng cấu trúc thuận từ. Ở cấp độ màng mỏng: cấu trúc từ là tổ hợp hai hay nhiều lớp vật liệu từkhác nhau sắp xếp xen kẽ nhau hoặc bị ngăn cách bởi lớp vật liệu phi từ. Cấu trúc GMR (Giant magnetoresistance)Cấu trúc GMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm)được kẹp giữa bởi lớp phi từ (hính 1.13). Trong cấu trúc này các spin của lớp sắttừ thứ nhất sẽ tán xạ qua lớp kẹp phi từ để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai.Khi không có từ trường ngoài thí spin của hai lớp sắt từ ngược chiều nhau, cònkhi có từ trường ngoài spin của hai lớp sắt từ sẽ cùng chiều với nhau.11Hình 1.13 Cấu trúc GMR. Cấu trúc TMR (Tunneling magnetoresistance)Cấu trúc TMR gồm 3 lớp, hai lớp sắt từ (lớp từ cứng và lớp từ mềm) đượckẹp giữa bởi lớp điện môi (lớp cách điện) (hính 1.14). Khi chiều dày lớp điệnmôi đủ mỏng thí các spin của lớp sắt từ thứ nhất sẽ xuyên qua rào thế của lớpđiện môi, tán xạ qua lớp điện môi để trở thành spin của lớp sắt từ thứ hai.Hình 1.14 Cấu trúc TMR. Cấu trúc Spin-vanCác màng mỏng có cấu trúc van spin có bốn lớp chình: bên dưới là lớpmàng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrM), bên trên lớpnày là lớp sắt từ đầu tiên (lớp từ cứng) có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nêncó từ độ bị giữ theo một hướng (gọi là lớp ghim), phìa trên là lớp phi từ (hoặclớp điện môi), phìa trên cùng là lớp sắt từ không bị ghim (lớp từ mềm) có thểquay tự do theo từ trường [14]. Trong các màng mỏng này có thể có các hiệuứng từ trở khổng lồ do tán xạ spin của hai lớp sắt từ qua lớp phi từ, từ trở dịhướng và Hall phẳng do tương tác spin - quỹ đạo trong các lớp sắt từ. Màngmỏng này có thể ứng dụng chế tạo các máy cảm biến từ trở khổng lồ, từ trở dịhướng hoặc máy cảm biến Hall phẳng.Khi đặt từ trường ngoài nhỏ chỉ có từ độ của lớp sắt từ tự do bị quay theotừ trường ngoài do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớpsắt từ tự do ở vùng từ trường thấp. Từ độ của lớp ghim bên dưới chỉ quay đi khicó từ trường ngoài đủ lớn để thắng trường tương tác trao đổi giữa lớp sắt từghim và lớp phản sắt từ.12Hình 1.15 Cấu trúc Spin – van. Cấu trúc từ dạng dãy chuỗiCấu trúc từ dạng chuỗi là sự tổ hợp có hệ thống của rất nhiều các cấu trúctừ, các sensor, ... để tạo thành một sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thựctế. Sự ra đời của các cấu trúc dạng chuỗi cho phép các phép đo, các thì nghiệmđược tiến hành với tốc độ nhanh hơn và độ chình xác cao hơn [2]. Vì dụ bộ nhớMRAM (Magnetic Ramdom Access Memories) được thiết kế và chế tạo sử dụngvật liệu từ đang được quan tâm và có triển vọng phát triển nhờ các đặc tình tuyệtvời như: không tự xóa, duy trí thông tin tốt, số lần ghi, đọc thông tin cao... (hính1.16). Một sản phẩm của câu trúc dạng chuỗi nữa là các cảm biến sinh học đượcphát triển bởi nhóm nghiên cứu của R.L. Edelstein và các đồng nghiệp ởWashington, Mỹ (hính 1.17) [17], cho phép chúng ta thực hiện các phép phântìch, chuẩn đoán DNA chỉ trong vòng từ 5 đến 10 phút trong khi đó các phươngpháp cổ điển cần tới 3 đến 12 tiếng. Ngoài ra các cấu trúc dạng chuỗi còn có ưuđiểm là gọn nhẹ, dễ tìch hợp, độ phân giải lớn, … nên chúng có khả năng cạnhtranh trong việc phân tìch số lượng, tìn hiệu nhỏ.Hình 1.16 Ma trận của bộ nhớ MRAM.13Hình 1.17 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãycác bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phântử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến (trong trường hợp này là cácphân tử DNA đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi DNA) và cáchạt từ có thể được liên kết với bề mặt cảm biến thông qua việc lai hóa.Trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu một cấu trúc từ dạng chuỗi đơngiản chỉ là tổ hợp của các nam châm từ kìch thước micro (hính 1.18). Các namchâm được sắp xếp theo một trật tự nhất định và công việc của chúng tôi là khảosát từ trường trên bề mặt của nam châm.Hình 1.18 Tổ hợp của các nam châm từ.1.5 Vật liệu từ cứngVật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa củatình từ “cứng” ở đây chình là thuộc tình khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ khôngxuất phát từ tình chất cơ học của vật liệu từ [9].Vật liệu từ cứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại. Tùythuộc vào loại vật liệu từ có thể chia vật liệu từ cứng thành hai loại là: vật liệu14truyền thống (thép, nam châm AlNiCo, nam châm ferit) và vật liệu hiện đại(nam châm Sm-Co, nam châm Nd-Fe-B) [15]. Hiện nay các nam châm vĩnh cửuvẫn đang phát triển, việc cải thiện từ tình, thuộc tình cơ học, đặc trưng vật lý vàđặc tình hóa học cho phép ứng dụng các nam châm vĩnh cửu một cách rộng rãihơn. Sự hiểu biết về đặc trưng vật lý của vật liệu từ cứng dẫn đến sự khám phámới của nam châm từ cứng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp. Việc tím kiếm vậtliệu mới với đặc tình nổi bật của vật liệu là nhiệt độ Curie cao, từ độ bão hòa vàlực kháng từ cao. Hính 1.19 biểu diễn sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trênphương diện thể tìch. Mỗi nam châm biểu diễn một từ trường giống nhau nhưngquá trính trong vật liệu từ cứng cho phép giảm thể tìch nam châm. Vật liệu từcứng hiện đại có thể được sản xuất bởi các công nghệ khác nhau như chế tạo hạttừ bằng phương pháp thủy phân nhiệt, phương pháp đồng khử, chế tạo cấu trúctừ dạng chuỗi bằng phương pháp ăn mòn, quang khắc, phún xạ ... Tùy thuộc vàocông nghệ từng công nghệ mà nam châm vĩnh cửu cho những đặc tình khácnhau. Điều đó cho phép sản xuất nam châm đáp ứng nhiều ứng dụng hiện đại.Hình 1.19 Sự phát triển của vật liệu từ cứng xét trên phương diện thể tích.1.5.1 Các đặc trưng của vật liệu từ cứngVật liệu từ cứng có nhiều đặc trưng từ học, tình chất từ của vật liệu từcứng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ bền, độ chống mài mòn ... Dưới đây liệtkê một số đặc trưng quan trọng.

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ cứng cấu trúc micro-nano
  • 53
  • 1,921
  • 0
• NV9 cả năm
  • 151
  • 243
  • 0
• TA 6 Unit 13 A 3
  • 13
  • 1
  • 11
• Đề thi chọn HSG cấp trường
  • 4
  • 458
  • 0
• NV8 cả năm
  • 448
  • 188
  • 0
• conditional sentences- E.10
  • 3
  • 686
  • 7
• Giáo án
  • 6
  • 128
  • 0
• Khi thuóc lá tấn công cơ thể
  • 2
  • 239
  • 1
• Ke chuyen
  • 18
  • 92
  • 0
• Ke chuyen
  • 19
  • 62
  • 0
• kinh tế chính trị trung cấp
  • 153
  • 0
  • 0

Tải bản đầy đủ (.pdf) (53 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(2.71 MB) - Nghiên cứu từ trường bề mặt của vật liệu từ cứng cấu trúc micro-nano-53 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×